Origami ar putea permite inginerilor să creeze ‘Transformers’

Cercetătorii au descoperit cum să folosească un model binecunoscut de pliere origami, numit Miura-ori, pentru a controla propietăţile fizice de bază ale oricărei coli subţiri de material.

Miura-ori, care constă din paralelograme pliate repetitiv, poate schimba rigiditatea unei coli de hârtie – şi prin extensie, a oricărui material care se pliază – bazat doar pe modelul îndoiturilor.

Mai mult, prin schimbarea tiparului şi introducerea unor anomalii, cercetătorii arată cum se poate regla rigiditatea acestuia, creând astfel un material ale cărui propietăţi fizice sunt programabile.

Lui Jesse Silverberg, absolvent al Universităţii Cornell şi pasionat de origami încă din clasa a II-a, i-a venit ideea să studieze Miura-ori în timpul unei conferinţe de fizică, când Chris Santangelo de la Universitatea Massachusetts, Amherst, i-a observat particularităţile neobişnuite.

Majoritatea materialelor se umflă atunci când sunt presate, dar Miura-ori se contractă la apăsare. „Această proprietate e de dorit atunci când proiectezi tot felul de dispozitive pe care nu ai putea să le realizezi altfel”, afirmă Silverberg.

Echipa a folosit modelele de hârtie – multe pliate de Silverberg – şi analizele computerizate ale lui Arthur Evans de la Universitatea Massachusetts, Amherst, pentru a identifica principiile care ar putea fi aplicate creării metamaterialelor. Descoperirile lor au fost publicate în revista Science.

Modificări prin apăsare

Metamaterialele sunt generate prin repetarea unui model de subunităţi mici pentru obţinerea unor proprietăţi exotice nenaturale pe scară mai largă. Miura-ori însuşi poate fi considerat un metamaterial mecanic, deoarece rigiditatea sa poate fi controlată de unghiurile îndoiturilor paralelogramelor, notează Silverberg.

În mod diferit de alte metamateriale cu propietăţi fixe, „modificările prin apăsare” obţinute prin schimbarea direcţiei îndoiturilor pot fi introduse în diferite locuri ale colii, arbitrar, pentru a-i schimba rigiditatea.

Folosind simulări numerice, Evans şi Santangelo au calculat efectul pe care îl are o astfel de modificare asupra Miurei-ori. Ei au demonstrat că face instant întreaga coală mai rigidă şi că efectul acestor modificări este aditiv.

Un tipar de modificări prin apăsare se comportă ca un program pe calculator: în timp ce un şir de 0 şi 1 îi spune computerului ce să facă, o configuraţie de modificări prin apăsare controlează materialul fizic şi îi spune modelului Miura-ori cum să răspundă forţelor externe.

Au mai descoperit că o modificare prin apăsare din apropierea alteia, dar cu orientare opusă, poate anula efectul primei. Acest efect seamănă cu ceea ce se numeşte „loc vacant” în sistemele atomice - unde un atom este înlăturat dintr-o structură de cristal.

Transformers

„Analizăm o structură origami şi folosim un limbaj creat pentru înţelegerea propietăţilor mecanice ale cristalelor atomice pentru a vorbi despre ceea ce observăm aici.(....) Munca noastră însumează origami, metamaterialele, materia programabilă, cristalografia şi altele. E complet bizar şi unic să ai atât de multe din aceste idei intersectându-se în acelaşi timp”, relatează Silverberg.

Visul? Maşini la scară atomică programate pe baza unor modele de pliere care ar putea să se fixeze într-o poziţie şi să efectueze funcţii mecanice.

„Vă puteţi imagina o coală pliată dintr-un material cu modificări prin apăsare constituind un scut solid, sau un obiect cu o coloană rigidă” descrie Itai Cohen de la Cornell, care a condus echipa alături de Silverberg. „Vă puteţi gândi la anexe care pot fi fixate într-un loc sau la vreo unealtă folositoare ale cărei propietăţi pot fi fixate odată cu folosirea. În felul acesta seamănă cu ‘Transformers’, unde roboţii se pliază, dar se desfac şi rămân în formă umană. E uimitor că se află atât de multe probleme ascunse, de cercetare ştiinţifică, îngropate într-o simplă coală de hârtie” a adăugat el.

Fundaţia Naţională de Ştiinţă a susţinut proiectul, care s-a desfăşurat în colaborare cu fizicieni teoreticieni şi ingineri în domeniul polimerilor ai Universităţii Massachusetts, Amherst şi matematicieni de la Western New England University.

Echipa lui Cohen a prezentat proiectul de cercetare la cea de-a 6-a "Întâlnire Internaţională despre Origami în Ştiinţă, Matematică şi Educaţie" care a avut loc la Tokyo între 10-13 august.